JP4138628B2 - パワー基板放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、制御信号等の小電流を扱う小電流回路および電源電流等の大電流を扱うパワーデバイスが搭載されたパワー基板のためのパワー基板放熱構造に関し、特に、電源電流等の大電流の供給や分配制御を行なう電源分配用基板、電源分配用ユニット、等に好適なパワー基板放熱構造に関する。

近年、電子機器の高機能化に伴い、半導体リレー、ＩＰＳ（即ち、Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｓｗｉｔｃｈ）、パワー用導電路（例えば、バスバー、配線パターン、等）、等のパワーデバイスの発熱量が急激に増大し、その放熱の重要性が高まってきている。例えば近年の半導体パワーデバイスでは、高機能化のために１チップあたりの素子数が増大しているにもかかわらず、チップの単位素子あたりの表面積は増大せず、逆に減少する傾向にあり、チップ自体の放熱作用にも限界がきている。

そこで、そのようなパワーデバイスが搭載されたパワー基板の放熱性を良好にするため、各種実装構造に係るパワー基板放熱構造が提案されている。

例えば、半導体素子を電極としての機能も兼ねたヒートシンク上に接着部材を介して接合し、そのヒートシンクを放熱絶縁基板を介して放熱ブロックに接続したパワー基板放熱構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、段差を持つ各種大きさや形状の複数のパワーデバイスを実装したプリント基板を、放熱用スペーサとしてのシリコーンゲル（シリコーンジェル）状物質を介して冷却プレートに密着させるようにしたパワー基板放熱構造も知られている（例えば、特許文献２参照）。

更に、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の発熱素子を金属放熱板上にハンダで接合し、発熱素子上部で且つ、その発熱素子等を制御する制御用回路を搭載した回路基板と同一平面上に回路基板とは別の金属基板を用意し、その金属基板には開口穴を設けて、発熱素子用の回路パターンをその金属基板上に形成し、開口穴を介して発熱素子と回路パターンとをアルミ線で接続するようにしたパワー基板放熱構造も知られている（例えば、特許文献３参照）。

尚、内部にコアメタル層を有するメタルコア基板や、片面全体にメタルベースが露出するメタルベース基板は、ガラスエポキシ基板等と比較して高い放熱性が得られるものとして知られている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。

特開２００１−２６７４７５号公報（図１等参照） 特開平１１−２６９６８号公報（図１等参照） 特開平７−１６１９２５号公報（図１等参照） 株式会社神和、三光電機工業株式会社、[ｏｎｌｉｎｅ]、[平成１５年１０月２９日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｓｓｇ．ｃｏｍ／ｔｓｓ／ａｌｍｉ．ｈｔｍ＞ 日本シイエムケイ株式会社、[ｏｎｌｉｎｅ]、[平成１５年１０月２９日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｍｋ−ｃｏｒｐ．ｃｏｍ／ｐｄｆ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ＣＭＫ−ＣＯＭＰ０３０６．ｐｄｆ＞

しかしながら、特許文献１で開示されている従来のパワー基板放熱構造では、半導体素子を単にヒートシンク上に搭載し、ヒートシンクを放熱絶縁基板を介して冷却部材に接合しているだけであるので、背の高い半導体素子をヒートシンク上に搭載する場合には、パワー基板放熱構造が大型化するという問題があった。

また、特許文献２で開示されている従来のパワー基板放熱構造では、プリント基板に搭載された各種大きさや形状を持つパワーデバイスを単にシリコーンゲル（シリコーンジェル）状物質を介して冷却プレートに密着させているだけであるので、この場合にも、背の高い半導体素子の場合には、パワー基板放熱構造が大型化するという問題があった。

更に、特許文献３で開示されている従来のパワー基板放熱構造では、発熱素子を制御する制御用回路が搭載された回路基板と同一平面上に、その回路基板とは別に発熱素子用の回路パターンを形成した金属基板を用意し、しかもその金属基板に開口穴を設けて開口穴を介して発熱素子と回路パターンとをアルミ線で接続するようにしているので、基板を２枚別々に設ける必要があり、基板の構成や組み付け性が複雑で且つコストがかかる、という問題があった。

また、非特許文献１や非特許文献２で開示されているメタルコア基板やメタルベース基板は、それら単体でガラスエポキシ製基板等と比較して高い放熱効果が得られるものの、実際にパワーデバイスの放熱を良好に行なうには更にパワー基板放熱構造が要求される。その上、小電流を扱う制御回路等を含む小電流回路の基板上の配置に対する大電流を扱うパワーデバイスを含む大電流回路の基板上の配置にも配慮が必要であるが、それについて非特許文献１および非特許文献２は教示も示唆もしていない。

本発明は、前述した問題を解決するためになされたものであり、その目的は、パワーデバイスの放熱を良好に行なうことができる小型および低コストのパワー基板放熱構造を提供することにある。

前述した目的を達成するため、本発明に係るパワー基板放熱構造は、請求項１に記載したように、
小電流を扱う小電流回路が搭載された制御面およびその裏面に大電流を扱う複数種のパワーデバイスが搭載されたパワー配線面を有し、前記制御面を有する層と前記パワー配線面を有する層との間にコアメタル層が設けられた基板と、
前記基板のパワー配線面に対向する面および当該面に形成された凹部を有する放熱用ヒートシンクと、
前記基板と前記放熱用ヒートシンクとの間に前記凹部を避けて介在される絶縁シートと、
前記基板と前記絶縁シートとの間に介在される熱抵抗低減用グリスと、
を備え、
前記コアメタル層は、前記基板と前記放熱用ヒートシンクとが前記絶縁シートおよび前記熱抵抗低減用グリスを介在しながら接合された際の、前記放熱用ヒートシンクの凹部の真上に位置する前記基板の領域内に形成され、
前記制御面上に搭載された前記小電流回路が有する電気部品のうち熱に弱い電気部品は、前記コアメタル層の真上に位置する前記制御面の領域を避けて配置され、
前記基板と前記放熱用ヒートシンクとが前記絶縁シートおよび前記熱抵抗低減用グリスを介在しながら接合された際、前記パワーデバイスのうち前記基板のパワー配線面の前記凹部に対向する前記コアメタル層の真下に設けられ且つ前記絶縁シートおよび前記熱抵抗低減用グリスの厚さよりも大きな高さを有する背の高いパワーデバイスが、前記放熱用ヒートシンクの凹部に収容されるように構成されていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、基板の表面を制御面そして基板の裏面を放熱性の高い放熱構造体が要求されるパワー配線面にして制御面とパワー配線面とを明確に区別しており、制御面用の基板そしてパワー配線面用の基板といったように別個の基板を２枚設ける必要が無いので、基板の構成や組み付け性が簡単になり、パワー基板放熱構造の低コスト化を図ることができる。その上、基板のパワー配線面に設けられたパワーデバイスのうち背の高いパワーデバイスを基板と放熱用ヒートシンクとの接合の際に当該放熱用ヒートシンクの凹部に収容させるように構成したので、パワー基板放熱構造の厚さ方向の小型化を図ることができる。また、基板と放熱用ヒートシンクとが接合され且つ基板が通電されている状態では、凹部に収容されたパワーデバイスの熱は凹部を介して放熱用ヒートシンクから放熱され、そして凹部に収容されないパワーデバイスは、基板のパワー配線面とそれに対向する放熱用ヒートシンクの凹部を除く面との間に挟まれて、その熱が放熱用ヒートシンクから放熱されるので、このような凹凸嵌合によって基板と放熱用ヒートシンクとがほぼ密着した形となり、抜群の放熱効果が得られる。その際、絶縁シートおよび熱抵抗低減用グリスを間に挟みながら基板と放熱用ヒートシンクとが接合されているので、凹部に収容されないパワーデバイスと放熱用ヒートシンクとの良好な電気的絶縁が図られ且つ基板と放熱用ヒートシンクとの間の熱抵抗が効果的に低減される。
また、基板が、制御面を有する層とパワー配線面を有する層との間にコアメタル層が設けられたメタルコア基板であり、放熱用ヒートシンクの凹部の真上に位置するメタルコア基板の領域内にコアメタル層が形成されているので、背の高いパワーデバイスのための放熱作用が更に向上する。その上、前記制御面上に搭載された前記小電流回路が有する電気部品のうち熱に弱い電気部品が、前記コアメタル層の真上に位置する前記制御面の領域を避けて配置されているので、制御面上の電気部品のうち熱に弱い電気部品（換言すれば、熱を伝えたくない電気部品）にパワー配線面上のパワーデバイスからの熱を伝えにくくすることができる。

また、本発明に係るパワー基板放熱構造は、請求項２に記載したように、請求項１に記載のパワー基板放熱構造が、前記放熱用ヒートシンクの凹部に充填される高熱伝導性ジェルを更に備え、
前記基板と前記放熱用ヒートシンクとが接合された際に、前記背の高いパワーデバイスが前記高熱伝導性ジェルに浸漬されることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、基板のパワー配線面に設けられたパワーデバイスのうち背の高いパワーデバイスが前記凹部内の高熱伝導性ジェルに浸漬されるので、当該パワーデバイスが熱応力等を受けにくくなる構造となる上、この構造において必要な場合には完全防水構造化も容易に実施することができる。

また、本発明に係るパワー基板放熱構造は、請求項３に記載したように、請求項１または請求項２に記載のパワー基板放熱構造において、前記絶縁シートの前記凹部に対応する部分が開口していることを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、放熱用ヒートシンクの凹部に対応する部分が開口した絶縁シートを間に挟みながら基板と放熱用ヒートシンクとが接合されるので、凹部に収容されないパワーデバイスと放熱用ヒートシンクとの電気的絶縁が確実になる。

また、本発明に係るパワー基板放熱構造は、請求項４に記載したように、請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載のパワー基板放熱構造において、前記背の高いパワーデバイスが半導体パワーデバイスであることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、背の高いパワーデバイスが半導体パワーデバイスであるので、放熱への配慮、特に熱破壊への配慮が重要な半導体パワーデバイスの放熱を良好にすることができる。

また、本発明に係るパワー基板放熱構造は、請求項５に記載したように、請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載のパワー基板放熱構造において、前記パワー配線面上に搭載された前記パワーデバイスのうち前記基板と前記絶縁シートとの間に配置されるパワーデバイスが、前記背の高いパワーデバイスを通る大電流が流れるパワー用導電路を含むことを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、パワー配線面上に搭載されたパワーデバイスのうち基板と絶縁シートとの間に配置されるパワーデバイスが、背の高いパワーデバイスを通る大電流が流れるパワー用導電路を含むので、大電流が流れるパワー用導電路の放熱を良好にすることができ、よってパワー用導電路の断面積の肥大を抑えながら大電流を流すことができる（例えば、放熱構造に工夫が凝らされていないパワー用導電路単体と比較して、それと同じ断面積を有しながらも大電流を流せるようになる）。

また、本発明に係るパワー基板放熱構造は、請求項６に記載したように、請求項５に記載のパワー基板放熱構造において、前記パワー配線面上に搭載された前記パワーデバイスのうち前記基板と前記絶縁シートとの間に配置されるパワーデバイスが、前記背の高いパワーデバイスに接続された配線パターンであることを特徴としている。

請求項６に記載の発明によれば、パワー配線面上に搭載されたパワーデバイスのうち基板と絶縁シートとの間に配置されるパワーデバイスが、背の高いパワーデバイスに接続された配線パターンであり、このように厚みが薄い配線パターンのみが基板と絶縁シートとに介在されるので、基板と絶縁シートとの密着度合いが高められ、よって基板と放熱用ヒートシンクとがより近接した形となり、抜群の放熱効果が得られる。

本発明によれば、パワー基板放熱構造の小型化および低コスト化を図りながらパワーデバイスの放熱を良好に行なうことができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための最良の形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

以下、本発明に係るパワー基板放熱構造の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係るパワー基板放熱構造の一実施形態を示す分解斜視図、図２は図１に示すパワー基板放熱構造の実装する順序を説明するための接合前の断面図、そして図３は図２に示すパワー基板放熱構造の接合状態を示す断面図である。

図１〜図３に示されるように、本発明に係るパワー基板放熱構造の一実施形態は、小電流を扱う小電流回路１５が搭載された制御面１ｂおよびその裏面に大電流を扱う複数種のパワーデバイス１１，１３が搭載されたパワー配線面１ａを有するパワー基板１と、当該パワー基板１のパワー配線面１ａに対向する面および当該面に形成された凹部３１を有する放熱用ヒートシンク３と、パワー基板１と放熱用ヒートシンク３とに凹部３１を避けて介在される絶縁シート２と、パワー基板１と絶縁シート２とに介在される熱抵抗低減用グリス４と、を備え、パワー基板１と放熱用ヒートシンク３とが絶縁シート２および熱抵抗低減用グリス４を介在しながら接合された際、パワーデバイス１１，１３のうちパワー基板１のパワー配線面１ａの凹部３１に対向する部分に設けられ且つ絶縁シート２および熱抵抗低減用グリス４の厚さよりも大きな高さを有する背の高いパワーデバイス１１が、放熱用ヒートシンク３の凹部３１に収容されるように構成されている。

また、特に図２および図３に示されるように、本発明に係るパワー基板放熱構造の一実施形態は、放熱用ヒートシンク３の凹部３１に充填される高熱伝導性（放熱用）ジェル５を更に備え、パワー基板１と放熱用ヒートシンク３とが接合された際に、背の高いパワーデバイス１１が高熱伝導性ジェル５に浸漬される。

また、本発明に係るパワー基板放熱構造の一実施形態では、パワー基板１が熱伝導性の低いガラスエポキシ基板である（即ち、パワー基板１の絶縁基材がガラスエポキシ樹脂製である）。但し、パワー基板１は熱伝導性の低いガラスエポキシ樹脂を含む材料からなるものでもよい。

また、本発明に係るパワー基板放熱構造の一実施形態は、絶縁シート２の凹部３１に対応する部分２１が開口している。

このように構成されたパワー基板放熱構造の詳細について以下に説明する。

本発明のパワー基板放熱構造におけるパワー基板１は、制御信号に従い電源電流等の大電流の通電制御や分配制御等を行なう発熱量の大きいパワーデバイスを含む大電流回路と、前述した制御信号等の小電流により前記大電流回路の制御等を行なう発熱量の小さい小電流回路とを明確に区別しており、それらを表裏別々の面に設けるようにしている。より詳細には、パワー基板１は、図１に示すように、電源電流等の大電流の通電制御や分配制御等を行なう発熱量の大きい半導体リレー、ＩＰＳ、等のパワーデバイス（より詳細には、半導体パワーデバイス）であるパワー素子１１、コネクタ１２、およびパワー素子１１とコネクタ１２等とを接続するパワーデバイス（より詳細には、パワー用導電路）であるパワー配線パターン１３等が設けられるパワー配線面１ａと、制御信号等の小電流によりパワー素子１１等を制御するＣＰＵ（即ち、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１４や駆動用周辺回路等を含む小電流回路１５が設けられる制御面１ｂとを表裏別々の面に設けている。尚、パワー基板１のパワー配線面１ａは、絶縁シート２および熱抵抗低減用グリス４を介して放熱用ヒートシンク３と接合する面となる。

絶縁シート２は、例えば、シリコーンゴム、集成マイカ、等の熱伝導率の優れた（即ち、熱抵抗の小さい）絶縁体製であり、パワー基板１上のパワー素子１１と対応する箇所が切り欠かれた切欠き部２１と、それ以外の接着部２２とからなり、接着部２２により放熱用ヒートシンク３に接着されるものである。接着部２２は、絶縁シート２の両面に設けられていてもよいが、絶縁シート２の放熱用ヒートシンク３に取り付けられる面のみに設けられているものであってもよい（換言すれば、絶縁シート２のパワー基板１側の面には接着部２２を設けなくてもよい）。

但し、特に接着部２２を絶縁シート２の放熱用ヒートシンク３に取り付けられる面のみに設ける場合は、パワー基板放熱構造の接合状態（図３参照）を維持するために、例えば、ビス（ねじ）、クリップ、等の適宜な固定手段でパワー基板１に放熱用ヒートシンク３を固定することが望ましい。尚、絶縁シート２は、パワー基板１のパワー配線面１ａに放熱用ヒートシンク３との絶縁に良好なレジストが塗布されている場合、または放熱用ヒートシンク３にパワー基板１のパワー配線面１ａとの絶縁に良好な絶縁層が形成されている場合は、パワー基板放熱構造に設けなくてもよい。

絶縁シート２を介してパワー基板１のパワー配線面１ａと放熱用ヒートシンク３とを接合させる際には、パワー基板１のパワー配線面１ａまたは絶縁シート２の接着部２２に熱抵抗低減用グリス４を塗布しておき、接合させた際にはパワー配線面１ａのパワー素子１１が絶縁シート２の切欠き部２１から突出して放熱用ヒートシンク３の凹部３１に収容される一方、パワー配線面１ａのパワー配線パターン１３は熱抵抗低減用グリス４および絶縁シート２を介して放熱用ヒートシンク３に接合することになる。尚、この熱抵抗低減用グリス４と、放熱用ヒートシンク３の凹部３１に充填された高熱伝導性（放熱用）ジェル５とにより、パワー基板１と放熱用ヒートシンク３との間の熱抵抗が大きく低減される。

ここで、熱抵抗低減用グリス４の例としては、シリコーングリス等といった熱伝導率の優れた（即ち、熱抵抗を小さくする）絶縁剤が挙げられる。熱抵抗低減用グリス４をパワー基板１のパワー配線面１ａと絶縁シート２の接着部２２との間に配置する際には、絶縁シート２の接着部２２が部分的に露出するように（即ち、パワー配線面１ａとの接着が可能なように）熱抵抗低減用グリス４をパワー配線面１ａまたは接着部２２の要部（即ち、パワー配線面１ａ上の発熱する箇所の上またはその発熱する箇所に対向する接着部２２の部分）に塗布することが望ましい。

また、高熱伝導性（放熱用）ジェル５の例としては、シリコーンゲル（シリコーンジェル）、充填剤入りウレタンゲル（ウレタンジェル）、等といった熱伝導率の優れた（即ち、熱抵抗を小さくする）絶縁剤が挙げられる。

放熱用ヒートシンク３は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、等の熱伝導性の優れた金属製であり、放熱を効率良く行なうための複数のフィン３２を平板状本体の下面に備える一方、絶縁シート２を介してパワー基板１が接合した際、パワー基板１上のパワー素子１１が放熱用ヒートシンク３内に収容されるように、パワー素子１１の位置と対応する平板状本体の上面の箇所に予め凹部３１が加工されて設けられている。

尚、凹部３１は、パワー基板１上のパワー素子１１が放熱用ヒートシンク３内に収容されれば十分なので、凹部３１の加工が簡単になるように図１に示すような単なる長方形の形状でもよいが、パワー素子１１の位置、大きさ、形状、等に合わせて複雑に加工した形状にしても勿論よい。また、放熱用ヒートシンク３の製造工程が簡単になるように、放熱用ヒートシンク３の平板状本体の両側端面間を貫通するように溝状に凹部３１を形成してもよい。このように凹部３１を形成し且つ凹部３１の延長方向と複数のフィン３２の延長方向が同じ方向になるように形成すれば、放熱用ヒートシンク３を簡単な押出成形で製造することができる。

そして、この凹部３１には高熱伝導性ジェル５を充填しておき、放熱用ヒートシンク３との間に絶縁シート２および熱抵抗低減用グリス４を挟むようにパワー基板１をそれらの上に載置した際、パワー基板１上のパワー素子１１が凹部３１に進入して高熱伝導性ジェル５に浸漬され、パワー基板１のパワー配線面１ａと放熱用ヒートシンク３とがほぼ密着した状態になるようにする。

尚、パワー素子１１は絶縁シート２の厚さ（厚さ寸法）および熱抵抗低減用グリス４の厚さ（厚さ寸法）の合計よりも大きな高さ（即ち、パワー配線面１ａからパワー素子１１上端までの高さ寸法）を有するので、パワー素子１１の上端部分が凹部３１に進入することとなるが、これを考慮して凹部３１の深さ（深さ寸法）は設定される。つまり、パワー基板１のパワー配線面１ａ上に絶縁シート２および熱抵抗低減用グリス４を配置した場合に絶縁シート２の放熱用ヒートシンク３側の接着部２２（面）から突出するパワー素子１１の上端部分の突出長さと等しいかまたは当該突出長さよりも僅かに大きい深さを有するように凹部３１は形成される。但し、絶縁シート２および熱抵抗低減用グリス４は、パワー基板１と放熱用ヒートシンク３とに挟まれることや熱が加えられること等によって伸長または収縮し、その厚さは変化し得るため、当該厚さの変化も考慮して凹部３１の深さは設定されるべきである。

図２および図３に示すように、パワー基板１は、そのパワー素子１１、コネクタ１２、およびパワー配線パターン１３等が設けられたパワー配線面１ａを高熱伝導性ジェル５が凹部３１に充填された放熱用ヒートシンク３に熱抵抗低減用グリス４および絶縁シート２を挟みながら密着させて取り付けられる。尚、パワー基板１は、絶縁シート２や放熱用ヒートシンク３よりも大きく形成されており、コネクタ１２が、熱抵抗低減用グリス４、絶縁シート２、または放熱用ヒートシンク３と接触しないように構成されている。このため、コネクタ１２は放熱用ヒートシンク３を介さずに直接放熱することになる。

このように、本実施形態では、パワー配線面１ａと制御面１ｂとを明確に区別してパワー基板１の表裏別々の面に設け、このようなパワー基板１のパワー配線面１ａのパワー配線パターン１３が熱抵抗低減用グリス４や絶縁シート２を介して放熱用ヒートシンク３と接合する一方、パワー基板１のパワー配線面１ａのパワー素子１１が放熱用ヒートシンク３に設けられた凹部３１に収容され、その凹部３１に充填された高熱伝導性ジェル５に浸漬される実装構造にした。そのため、本実施形態では、電源電流の分配や通電制御を行なう際に、例えば、以下に示すような優れた効果が得られる。

（１）パワー配線面１ａのパワー配線パターン１３は、絶縁シート２等を介して放熱用ヒートシンク３に接合して、放熱用ヒートシンク３から常時放熱できるため、パワー配線パターン１３の電流容量が各段に向上し、細いパターンでも大電流の通電が実現可能となる。このため、小型化に大きく寄与することができる。

（２）例えば、パワー基板１の基板材料をガラスエポキシ等の熱伝導性の悪いものにすると、パワー基板１の制御面１ｂへはパワー配線面１ａからの熱が伝わりにくくなり、パワー配線面１ａを放熱用ヒートシンク３に接合させた放熱構造も手伝うことにより、パワー素子１１、コネクタ１２、およびパワー配線パターン１３等によるパワー基板１の制御面１ｂ上の小電流回路１５の所謂あぶられ現象を回避することができる。このため、制御面１ｂにおける小電流回路１５等の部品レイアウトの制約を少なくすることができる。

（３）パワー配線面１ａと制御面１ｂとを明確に区別して表裏別々の面に設け、パワー配線面１ａと制御面１ｂのそれぞれの面では、パワー素子１１や小電流回路１５等の実装が通常のプリント配線基板（ＰＣＢ）の実装とほぼ同様となり、特殊な工程や処置が殆ど不要となるので、基板組み付け工法も従来レベルの範囲で製造可能となり、組み付け性が優れることになって、コスト削減化に大きく寄与することができる。特に、パワー配線面１ａのパワー配線パターン１３により電源電流の供給や分配制御を行なうことにより、電源電流の供給や分配制御用のバスバーを省略することが可能となるので、バスバー層の省略により、構造や設計ルール等が簡単になり、設計の工数が大幅に削減され、小型化および低コスト化を図ることができると共に、軽量化を実現することが可能となる。

（４）高熱を発生する半導体リレー等のパワー素子１１は、放熱用ヒートシンク３上面の凹部３１に充填された高熱伝導性ジェル５の中に浸漬された状態になるので、熱応力等を受けにくくなり、熱に対する信頼性が高くなる。また、必要な場合には、例えば、パワー配線面１ａと放熱用ヒートシンク３との間の密着性と防水性とをより高めること等により、完全防水構造化も容易に行なうことが可能となる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、パワー基板１の表面を制御面１ｂそしてパワー基板１の裏面を放熱性の高い放熱構造体が要求されるパワー配線面１ａにして制御面１ｂとパワー配線面１ａとを明確に区別しており、制御面１ｂ用の基板そしてパワー配線面１ａ用の基板といったように別個の基板を２枚設ける必要が無いので、基板の構成や組み付け性が簡単になり、パワー基板放熱構造の低コスト化を図ることができる。その上、パワー基板１のパワー配線面１ａに設けられたパワーデバイス１１，１３のうち背の高いパワーデバイス１１をパワー基板１と放熱用ヒートシンク３との接合の際に当該放熱用ヒートシンク３の凹部３１に収容させるように構成したので、パワー基板放熱構造の厚さ方向の小型化を図ることができる。また、パワー基板１と放熱用ヒートシンク３とが接合され且つパワー基板１が通電されている状態では、凹部３１に収容されたパワーデバイス１１の熱は凹部３１を介して放熱用ヒートシンク３から放熱され、そして凹部３１に収容されないパワーデバイス１３は、パワー基板１のパワー配線面１ａとそれに対向する放熱用ヒートシンク３の凹部３１を除く面との間に挟まれて、その熱が放熱用ヒートシンク３から放熱されるので、このような凹凸嵌合によってパワー基板１と放熱用ヒートシンク３とがほぼ密着した形となり、抜群の放熱効果が得られる。その際、絶縁シート２および熱抵抗低減用グリス４を間に挟みながらパワー基板１と放熱用ヒートシンク３とが接合されているので、凹部３１に収容されないパワーデバイス１３と放熱用ヒートシンク３との良好な電気的絶縁が図られ且つパワー基板１と放熱用ヒートシンク３との間の熱抵抗が効果的に低減される。

また、本実施形態によれば、パワー基板１のパワー配線面１ａに設けられたパワーデバイス１１，１３のうち背の高いパワーデバイス１１が前記凹部３１内の高熱伝導性ジェル５に浸漬されるので、当該パワーデバイス１１が熱応力等を受けにくくなる構造となる上、この構造において必要な場合には完全防水構造化も容易に実施することができる。

また、本実施形態によれば、パワー基板１が熱伝導性の低いガラスエポキシ樹脂を含む材料からなるので、パワー基板１の制御面１ｂにパワー配線面１ａからの熱が伝わりにくくなり、更にはパワー配線面１ａ側の放熱構造との相乗効果で、制御面１ｂの所謂あぶられ現象を回避することができる。従って、制御面１ｂ上の部品レイアウトの制約を少なくすることができる。

また、本実施形態によれば、放熱用ヒートシンク３の凹部３１に対応する部分が開口した絶縁シート２を間に挟みながらパワー基板１と放熱用ヒートシンク３とが接合されるので、凹部３１に収容されないパワーデバイス１３と放熱用ヒートシンク３との電気的絶縁が確実になる。

また、本実施形態によれば、パワーデバイス１１がパワー素子（半導体パワーデバイス）であるので、放熱への配慮、特に熱破壊への配慮が重要な半導体パワーデバイスの放熱を良好にすることができる。

また、本実施形態によれば、パワー配線面１ａ上に搭載されたパワーデバイス１１，１３のうちパワー基板１と絶縁シート２との間に配置されるパワーデバイスが、パワーデバイス１１に接続され且つパワーデバイス１１を通る大電流が流れるパワー配線パターン（パワー用導電路）１３であるので、大電流が流れるパワー配線パターン１３の放熱を良好にすることができ、よってパワー配線パターン１３の断面積の肥大を抑えながら大電流を流すことができる（例えば、放熱構造に工夫が凝らされていないパワー配線パターン単体と比較して、それと同じ断面積を有しながらも大電流を流せるようになる）。また、このように厚みが薄いパワー配線パターン１３のみがパワー基板１と絶縁シート２とに介在されるので、パワー基板１と絶縁シート２との密着度合いが高められ、よってパワー基板１と放熱用ヒートシンク３とがより近接した形となり、抜群の放熱効果が得られる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形，改良，等が可能である。その他、前述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

尚、上記実施形態では、パワー基板１を絶縁シート２および放熱用ヒートシンク３よりも大きくし、コネクタ１２を絶縁シート２を介して放熱用ヒートシンク３と接触させないようにしているが、本発明は、これに限定されず、パワー基板１と、絶縁シート２、放熱用ヒートシンク３の大きさをほぼ同じにして、コネクタ１２も放熱用ヒートシンク３に接触させるようにしても勿論よい。このようにすれば、コネクタ１２で発生した熱が放熱用ヒートシンク３から放熱されることになり、コネクタ１２の放熱性が向上することになる。但し、この場合には、放熱用ヒートシンク３上に、コネクタ１２の形状に合わせ、且つ、コネクタ１２に対し相手方端子(不図示)等が接続できるようにコネクタ１２に対する相手方端子等の接続性を確保した形状に凹部３１を設ける必要がある。

また、上記実施形態では、ＣＰＵ１４が小電流回路１５の一部としてパワー基板１の制御面１ｂに設けられていたが、本発明は、これに限定されず、発熱量が大きいパワーデバイスとして、パワー配線面１ａに設けるようにしても勿論よい。この場合には、放熱用ヒートシンク３上面に加工等されたパワー素子１１収納用の凹部３１を拡大して、ＣＰＵ１４もパワー素子１１と一緒に凹部３１に収容し、凹部３１に充填した高熱伝導性ジェル５の中に浸漬させるようにしてもよいし、またパワー素子１１収納用の凹部３１とは別にあるいは区画してＣＰＵ１４収納用の新たな凹部３１を設けて、なるべくパワー素子１１の熱がＣＰＵ１４へ伝わらないようにしたり、更には、パワー配線面１ａに設けたＣＰＵ１４がコネクタ１２と同様に、放熱用ヒートシンク３に接触しないような位置に設けて、放熱用ヒートシンク３を介さずに直接放熱するように構成しても勿論よい。尚、このことは、ＣＰＵ１４に限らず、パワー素子１１以外の発熱量の大きいパワーデバイスでも同様である。

また、上記実施形態では、パワー基板１が、ガラスエポキシ基板であったが、その代わりに、制御面１ｂを有する層とパワー配線面１ａを有する層との間にコアメタル層が設けられたメタルコア基板としてもよい。このような上記実施形態の変形例の場合、パワー基板１のパワー配線面１ａ上のパワーデバイス１１，１３からの熱が制御面１ｂ側へ伝わり易くなり、更にはパワー配線面１ａ側の放熱構造との相乗効果で、パワー配線面１ａ上のパワーデバイス１１，１３のための放熱作用が更に向上する。尚、このメタルコア基板であるパワー基板１を熱伝導性の低いガラスエポキシ樹脂を含む材料で形成してもよいことは言うまでもない。

また、このような上記実施形態の変形例において、前述したコアメタル層が、放熱用ヒートシンク３の凹部３１の真上に位置するパワー基板１の領域（即ち、凹部３１の開口面積と同じ面積を有し且つ凹部３１と対向するパワー基板１の部分）内に形成されている場合、パワーデバイス１１のための放熱作用が更に向上する。その上、パワー基板１の凹部３１の真上に位置する部分と比較してパワー基板１の凹部３１の真上に位置していない制御面１ｂの領域へはパワー配線面１ａ上のパワーデバイス１１，１３からの熱を伝えにくくすることができる。特に、パワー基板１を熱伝導性の低いガラスエポキシ樹脂を含む材料で形成すれば、そのパワー基板１の凹部３１の真上に位置していない制御面１ｂの領域へ伝わる熱をより低くすることができる。

また、このような上記実施形態の変形例において、制御面１ｂ上に搭載された小電流回路１５が有する電気部品のうち、特に熱に弱い電気部品が、上述したコアメタル層の真上に位置する制御面１ｂの領域を避けて配置されている場合、制御面１ｂ上の電気部品のうち熱に弱い電気部品（換言すれば、熱を伝えたくない電気部品）にパワー配線面１ａ上のパワーデバイス１１，１３からの熱を伝えにくくすることができる。

尚、更に放熱効果を向上させるため、パワー基板１を、上面（上記実施形態における制御面１ｂに相当する）全体にメタルベースが露出したメタルベース基板としてもよい。但し、この場合、制御面１ｂを上記実施形態と同様に設けることはできないので、パワー基板１を大電流回路専用のものにするか、または前述したコネクタ１２と同様に熱抵抗低減用グリス４、絶縁シート２、または放熱用ヒートシンク３と接触しないようなパワー配線面１ａ上の箇所に制御面１ｂを形成すればよい。

本発明に係るパワー基板放熱構造の一実施形態を示す分解斜視図である。 本発明に係るパワー基板放熱構造の一実施形態の実装する順序を説明するための接合前の断面図である。 本発明に係るパワー基板放熱構造の一実施形態の接合状態を示す断面図である。

符号の説明

１ パワー基板（基板）
１ａ パワー配線面
１ｂ 制御面
２ 絶縁シート
３ 放熱用ヒートシンク
４ 熱抵抗低減用グリス
５ 高熱伝導性（放熱用）ジェル
１１ パワー素子（パワーデバイス）
１２ コネクタ
１３ パワー配線パターン（パワーデバイス）
１４ ＣＰＵ
１５ 小電流回路
２１ 切欠き部
２２ 接着部
３１ 凹部
３２ フィン

Claims (6)

1. 小電流を扱う小電流回路が搭載された制御面およびその裏面に大電流を扱う複数種のパワーデバイスが搭載されたパワー配線面を有し、前記制御面を有する層と前記パワー配線面を有する層との間にコアメタル層が設けられた基板と、
   前記基板のパワー配線面に対向する面および当該面に形成された凹部を有する放熱用ヒートシンクと、
   前記基板と前記放熱用ヒートシンクとの間に前記凹部を避けて介在される絶縁シートと、
   前記基板と前記絶縁シートとの間に介在される熱抵抗低減用グリスと、
   を備え、
   前記コアメタル層は、前記基板と前記放熱用ヒートシンクとが前記絶縁シートおよび前記熱抵抗低減用グリスを介在しながら接合された際の、前記放熱用ヒートシンクの凹部の真上に位置する前記基板の領域内に形成され、
   前記制御面上に搭載された前記小電流回路が有する電気部品のうち熱に弱い電気部品は、前記コアメタル層の真上に位置する前記制御面の領域を避けて配置され、
   前記基板と前記放熱用ヒートシンクとが前記絶縁シートおよび前記熱抵抗低減用グリスを介在しながら接合された際、前記パワーデバイスのうち前記基板のパワー配線面の前記凹部に対向する前記コアメタル層の真下に設けられ且つ前記絶縁シートおよび前記熱抵抗低減用グリスの厚さよりも大きな高さを有する背の高いパワーデバイスが、前記放熱用ヒートシンクの凹部に収容されるように構成されていることを特徴とするパワー基板放熱構造。
2. 前記放熱用ヒートシンクの凹部に充填される高熱伝導性ジェルを更に備え、
   前記基板と前記放熱用ヒートシンクとが接合された際に、前記背の高いパワーデバイスが前記高熱伝導性ジェルに浸漬されることを特徴とする請求項１に記載したパワー基板放熱構造。
3. 前記絶縁シートの前記凹部に対応する部分が開口していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載したパワー基板放熱構造。
4. 前記背の高いパワーデバイスが半導体パワーデバイスであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載したパワー基板放熱構造。
5. 前記パワー配線面上に搭載された前記パワーデバイスのうち前記基板と前記絶縁シートとの間に配置されるパワーデバイスが、前記背の高いパワーデバイスを通る大電流が流れるパワー用導電路を含むことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載したパワー基板放熱構造。
6. 前記パワー配線面上に搭載された前記パワーデバイスのうち前記基板と前記絶縁シートとの間に配置されるパワーデバイスが、前記背の高いパワーデバイスに接続された配線パターンであることを特徴とする請求項５に記載したパワー基板放熱構造。